現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計方法在機械設(shè)計教學中的應(yīng)用

仇岳猛

(江西航空職業(yè)技術(shù)學院，江西 南昌 330024)

0 引言

隨著現(xiàn)代機械設(shè)計技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計方法不斷應(yīng)用在機械設(shè)計教學中，采用工程圖模型設(shè)計的方法，進行機械設(shè)計教學和現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型設(shè)計，實現(xiàn)對機械設(shè)計中的庫結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，提高機械三維數(shù)字化設(shè)計中的工程圖創(chuàng)建和零部件構(gòu)造設(shè)計能力[1]。通過個性化的設(shè)計方式，進行現(xiàn)代數(shù)字化機械模型設(shè)計，提出基于現(xiàn)代化虛擬數(shù)字化設(shè)計的機械設(shè)計方法，并應(yīng)用在高性能熱塑性復合機械構(gòu)件設(shè)計中[2]。采用 Autodesk、Bentley、Dassault等機械工程設(shè)計軟件，在管理信息平臺中進行機械軟件設(shè)計，在軟件模塊中，進行工程圖驅(qū)動控制，結(jié)合3DE在數(shù)字化信息處理平臺進行機械設(shè)計教學中的三維模型搭建[3-4]。采用 DVENET（Distributed Virtual Environment NETwork）軟件進行高性能熱塑性復合機械構(gòu)件的虛擬化模型設(shè)計[5]，結(jié)合虛擬三維信息仿真技術(shù)，進行機械的虛擬三維設(shè)計。本文提出基于現(xiàn)代化虛擬數(shù)字化設(shè)計的機械設(shè)計方法，并應(yīng)用在高性能熱塑性復合機械構(gòu)件設(shè)計中。采用工程圖分析方法，實現(xiàn)現(xiàn)代機械數(shù)字化設(shè)計中的三維模型重建。采用Matlab和VC混合編程控制方法，進行高性能熱塑性復合機械構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計，展示了本文方法在提高現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計方法在機械設(shè)計教學中的可靠性和優(yōu)越性。

1 復合機械構(gòu)件的數(shù)字化虛擬三維模型構(gòu)建

1.1 系復合機械構(gòu)件的數(shù)字化參數(shù)

為了實現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計方法在機械設(shè)計教學中的應(yīng)用，采用三維數(shù)字化虛擬設(shè)計的方法，進行復合機械構(gòu)件的數(shù)字化參數(shù)特征分析，通過分析層次化的機械參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行模塊化控制和機械構(gòu)建分析，采用Micro Channel總線傳輸協(xié)議，建立復合機械構(gòu)件的數(shù)字化虛擬擴充總線，進行復合機械構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計指令加載和傳輸控制，通過集成總線調(diào)度，實現(xiàn)對復合機械構(gòu)件的數(shù)字化傳輸協(xié)議控制設(shè)計，提高復合機械構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計的輸出穩(wěn)定性[6-7]。根據(jù)上述設(shè)計方案，得到現(xiàn)代數(shù)字化機械模型參數(shù)分布見表1。

表1 現(xiàn)代數(shù)字化機械模型參數(shù)分布Tab.1 parameter distribution of modern digital mechanical model

根據(jù)表1的參數(shù)設(shè)定，采用上層研磨介質(zhì)約束方法，建立高性能熱塑性復合機械構(gòu)件的負載參數(shù)檢測模型，通過傳感器測量模型參數(shù)分析，得到復合機械構(gòu)件的數(shù)字化融合特征分布值，通過粘滯摩擦系數(shù)計算，得到復合機械構(gòu)件的應(yīng)力分布模型，通過測試磨損區(qū)域的總能量和切向能量，實現(xiàn)應(yīng)力與變形參數(shù)分析和可靠性計算。

1.2 數(shù)字化虛擬三維模型

采用數(shù)字化的三維虛擬技術(shù)，進行高性能熱塑性復合機械構(gòu)件設(shè)計，在三維機械設(shè)計中，采用OpenFlight作為虛擬場景的層次化底層結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用邏輯篩選和組件紋理勾畫的方法[8]，通過模型生成和修改編輯的方法，進行高性能熱塑性復合機械構(gòu)件的三維虛擬重構(gòu)，在三維設(shè)備與邏輯設(shè)備層中，建立高性能熱塑性復合機械構(gòu)件的根節(jié)點，添加管附件，在不同的網(wǎng)格面中進行三維MBD模型設(shè)計，網(wǎng)格參數(shù)分布見表2。

表2 TSMC系機械數(shù)字化設(shè)計的三維網(wǎng)格分布參數(shù)Tab.2 three dimensional grid distribution parameters of mechanical digital design

通過尺寸標注節(jié)點位置的方法，進行機械設(shè)計教學中的三維模型搭建，分析高性能熱塑性復合機械構(gòu)件的交互系統(tǒng)控制原理，基于模型的定義（model based definition，MBD）技術(shù)，構(gòu)建高性能熱塑性復合機械構(gòu)件的機輔助設(shè)計（computer aided design，CAD）模型，結(jié)合計算機三維輔助設(shè)計[9]，取零部件尺寸標注值作為尺寸鏈，得到三維設(shè)計的尺寸分布參數(shù)見表3。

表3 三維設(shè)計的尺寸分布參數(shù)Tab.3 dimension distribution parameters of 3D design

根據(jù)動態(tài)參數(shù)分布，求出的曲面模型，采用NC加工和柔性控制的方法，進行機械三維設(shè)計的云信息融合和提取，通過模型柔性參數(shù)控制，采用參數(shù)化的擬合方法，實現(xiàn)數(shù)字化虛擬三維重構(gòu)[10]。

2 現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計在機械設(shè)計教學應(yīng)用優(yōu)化

根據(jù)上述高性能熱塑性復合機械構(gòu)件的三維設(shè)計和擬合效果，進行PMI信息提取，采用完備性檢查與尺寸鏈融合技術(shù)，進行PMI動態(tài)空間參數(shù)融合構(gòu)造，在組成環(huán)d的矢量方向，結(jié)合各鏈中尺寸進行三維機械設(shè)計，分析缺失數(shù)據(jù)，在各個設(shè)計平面中，采用參數(shù)化數(shù)字化建模和設(shè)備庫重構(gòu)的方法，實現(xiàn)機械設(shè)計中的標準庫結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，如圖1所示。

圖1 標準庫結(jié)構(gòu)模型設(shè)計Fig.1 structural model design of standard library

根據(jù)圖1的標準庫結(jié)構(gòu)模型，采用工程圖分析方法，分析封閉尺寸鏈數(shù)，得到完備性的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用計算機輔助工藝規(guī)劃（computer aided process planning，CAPP）方法，進行不同標注平面下的機械部件的標準轉(zhuǎn)換模型設(shè)計，采用形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)分析方法，檢查幾何元素的過約束問題，得到封閉環(huán)所在尺寸的子空間約束參數(shù)分布，見表4。

根據(jù)表4的封閉環(huán)所在尺寸的子空間約束參數(shù)分布，采用參數(shù)約束和過程控制的方法，實現(xiàn)現(xiàn)代機械數(shù)字化設(shè)計中的三維模型重建，并有效應(yīng)用在機械設(shè)計教學中。

表4 封閉環(huán)所在尺寸的子空間約束參數(shù)分布Tab.4 subspace constraint parameter distribution of the size of the closed ring

3 實驗測試

為了驗證本文方法的性能，進行采用參數(shù)化數(shù)字化建模和設(shè)備庫重構(gòu)的方法，實現(xiàn)機械設(shè)計中的標準庫結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，得到尺寸標注完備性特征分布為0.733，可靠性參數(shù)分布為0.628，采用工程圖分析方法，實現(xiàn)現(xiàn)代機械數(shù)字化設(shè)計中的三維模型重建，如圖2所示。

根據(jù)圖2的機械數(shù)字化設(shè)計中的三維模型重建分布，實現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化三維設(shè)計，如圖3所示。

圖2 機械數(shù)字化設(shè)計中的三維模型重建Fig.2 3D model reconstruction in mechanical digital design

圖3 三維數(shù)字化設(shè)計輸出Fig.3 3D digital design output

分析圖3得知，將本文提出的高性能熱塑性復合機械構(gòu)件設(shè)計方法，能有效使高性能熱塑性復合機械構(gòu)件設(shè)計，提高人機交互性。

4 結(jié)論

通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型設(shè)計，實現(xiàn)對機械設(shè)計中的庫結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，提高機械三維數(shù)字化設(shè)計中的工程圖創(chuàng)建和零部件構(gòu)造設(shè)計能力。通過分析層次化的機械參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行模塊化控制和機械構(gòu)建分析，通過粘滯摩擦系數(shù)計算，得到復合機械構(gòu)件的應(yīng)力分布模型，結(jié)合BIM設(shè)計方法實現(xiàn)高性能熱塑性復合機械構(gòu)件設(shè)計，本文設(shè)計的高性能熱塑性復合機械構(gòu)件，人機交互性較好，參數(shù)辨識度較高。